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Netzteile für Magnetresonanztomographie: Teil 1: Physikalische Grundlagen eines MRT

Basic | Der Betrieb eines Schaltnetzteils in einer Umgebung mit sehr hohem Magnetfeld ist anspruchsvoll und stößt an einige technische und physikalische Grenzen. Um diese zu überwinden, müssen Konstrukteure neue Wege gehen.

MRT-Geräte mit fortschrittlicher Datenerfassung erfordern stabile Netzteile, die in der Lage sind, in einem hohen Magnetfeld zu arbeiten. Bildquelle: © © iStock/baranozdemir/PRBX

MRT-Geräte mit fortschrittlicher Datenerfassung erfordern stabile Netzteile, die in der Lage sind, in einem hohen Magnetfeld zu arbeiten.

Der menschliche Körper besteht zu 70% aus Wasser, wobei das Wassermolekül aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom (H2O) besteht. Die MRT-Geräte können Wasserstoffkerne in Wassermolekülen identifizieren, die eine quantenphysikalische Eigenschaft namens Spin aufweisen. Wir können uns das Wasserstoffproton so ähnlich vorstellen wie die Erde, die sich um die eigene Achse dreht, mit einem Nord- und Südpol. Unter normalen Umständen drehen sich diese Wasserstoff-Protonen im Körper um die eigene Achse, wobei ihre Achsen zufällig ausgerichtet sind.

Feldstärke hängt von der Anwendung ab

Wenn der Patientenkörper sich in einem starken Magnetfeld befindet, richten sich die Protonenachsen alle aus. Diese einheitliche Ausrichtung erzeugt einen magnetischen Vektor, der entlang der Achse des Scanners ausgerichtet ist. Je nach Beobachtungsobjekt haben die MRT-Scanner unterschiedliche Feldstärken, meist zwischen 0,5 und 3 Tesla (T).

In der neuesten Generation von Geräten für die Magnetresonanztomographie (MRT) können 6 Tesla erreicht werden, in der Neurospin-Hirnforschung werden heute sogar 11,7 T verwendet, was dem 234.000-fachen des Erdfeldes entspricht, und in der Spektroskopie bis zu 20 T. Das Hauptmagnetfeld wird als vertikal oder B0 (B-Null) bezeichnet und durch einen permanenten oder supraleitenden Magneten erzeugt und entlang der Hauptachse des Scanners (Z-Achse) ausgerichtet. Je nach Anwendung variiert die Feldstärke von 0,5 T bis 20 T.

Magnetische Felder im MRT

Wenn dem Magnetfeld (B0) zusätzliche Energie in Form einer Radiowelle hinzugefügt wird, wird der Magnetvektor abgelenkt. Die Radiowellenfrequenz, die die Resonanz der Wasserstoffkerne bewirkt, ist abhängig von dem gesuchten Element und der Stärke des Magnetfeldes.

Es werden zwei magnetische Felder verwendet, der Gradient (B1) und das HF-Feld. B1 wird durch eine spezifische Kombination von Spulen in den drei Achsen X, Y und Z erzeugt. Die gepulsten Frequenzen liegen bei etwa 100 KHz mit einer Intensität von nur wenigen mT/m. Die Frequenz wird an das Objekt angepasst.  Das HF-Feld wird durch eine separate Spule in der X- und Y-Achse erzeugt. Der Frequenzbereich liegt zwischen 64 MHz und 299 MHz mit Mikrotesla-Intensitäten.

Wie entstehen die MRT-Bilder?

Beim Ausschalten der Hochfrequenzquelle kehrt der Magnetvektor in seinen Ruhezustand zurück, wodurch ein Signal (auch eine Radiowelle) ausgesendet wird, das der Erzeugung der MR-Bilder dient. Empfängerspulen werden um das betreffende Körperteil herum verwendet, um als Antennen zu fungieren und die Erkennung des ausgesendeten Signals zu verbessern.

Die Intensität des empfangenen Signals lässt sich anschließend in Graustufen darstellen und es werden Querschnittsbilder aufgebaut. Es lassen sich auch mehrere übertragene Hochfrequenzimpulse nacheinander verwenden, um bestimmte Gewebe oder Anomalien hervorzuheben. Weil sich verschiedene Gewebe beim Abschalten des übertragenen Hochfrequenzimpulses unterschiedlich schnell entspannen, entsteht im späteren Bild eine andere Verdichtung.

Autor: Patrick Le Fèvre ist Chief Marketing and Communication Officer bei Powerbox

Schlagworte: Magnetresonanztomographie

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Powerbox Bildquelle: © iStock/baranozdemir/PRBX

Polarisation der Wasserstoffkerne während der MRT-Aktivierungsphasen.